§ 4. Виды магнетиков

Долгое время (до середины 19 века) слово «магнетизм» воспринималось как синоним «притяжения» - считалось, что вещества к магниту могут только притягиваться ( или вообще на него не реагировать). Сильнее всего притягиваются железо, кобальт, никель и элементы редких земель – их называют ферромагнетиками. Такие вещества, как вольфрам, платина и др., притягиваются гораздо слабее. Большинство же веществ вовсе не реагирует на магнитное поле (к примеру, медь) – их считали «немагнитными».

Первые тщательные исследования магнитных свойств огромного количества разных веществ предпринял Майкл Фарадей в 1845 году. Он выяснил, что абсолютно все вещества так или иначе реагируют на магнитное поле. Те вещества, которые полагали «немагнитными», реагируют гораздо слабее, причем они не притягиваются к магниту, а отталкиваются!

Ф арадей подвешивал на длинной нити образцы разных веществ между полюсами сильного магнита. Вольфрам, платина (как и железо) поворачивались и устанавливались вдоль линий магнитной индукции, притягиваясь к ближайшему из полюсов. Он назвал такие вещества парамагнетиками («пара» по гречески – «вдоль»).

Н о все «немагнитные» вещества отталкивались от полюсов, поворачивались и устанавливались поперёк линий магнитной индукции. Он назвал их диамагнетиками («диа» по гречески – «поперёк»).

Вот неполный список диамагнетиков, обнаруженных Фарадеем: слоновая кость, баранина вяленая, говядина вяленая, говядина свежая, кровь свежая, хлеб и др. продукты, шелковичный червь и т.д. «Если бы можно было подвесить человека на достаточно чувствительный подвес, – писал Фарадей, – и поместить в магнитное поле, то он расположился бы поперек силовых линий, так как все вещества, из которых он составлен, включая кровь, обладают этим свойством».

Итак, диамагнетизм – самое распространенное явление в природе.

Демонстрации.

1. Пламя (плазма) выталкивается из магнитного поля.

2. О бразцы твердых пара- и диамагнетиков между полюсами электромагнита.

3. Жидкие пара- и диамагнетики (в пробирках) между полюсами электромагнита. Парамагнетик (хлористое железо FeCl₂) втягивается в магнитное поле, диа – выталкивается.

Диа-, пара- и ферромагнетики отличаются своими значениями магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости .

• Диамагнетики: , причем очень мал и не зависит от температуры (медь: )

Диамагнетики намагничиваются против внешнего поля: , поэтому они выталкиваются из поля (вспомним: когда магнитный момент рамки с током , она выталкивается из поля).

, т.е. поле в диамагнетике ослабляется.

• Парамагнетики: ; значения малы, но обычно больше, чем у диамагнетиков (вольфрам: ). С ростом температуры уменьшается ( ).

Парамагнетики намагничиваются вдоль внешнего поля: , поэтому они втягиваются в магнитное поле.

, т.е. поле в диамагнетике усиливается.

Диа- и парамагнетики - это слабые магнетики.

• Ферромагнетики: , причем значения и очень велики (10³ - 10⁴). Поле в ферромагнетике усиливается во много раз.

Если у диа- и парамагнетиков не зависит от Н, то у ферромагнетиков является сложной функцией Н. После прекращения действия внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным, т.е. может служить постоянным магнитом.

П ри нагревании до определенной температуры Т_С (ее называют «точкой Кюри») ферромагнетик превращается в парамагнетик. Для железа ⁰С, для никеля ⁰С. И наоборот: при достаточно низкой температуре парамагнетик становится ферромагнетиком.

Демонстрация: точка Кюри. При нагревании пламенем свечи ферромагнетик перестает сильно притягиваться к электромагниту.

Объяснить магнитные свойства вещества на основе чисто классических представлений невозможно. Исчерпывающие объяснения дала лишь квантовая теория.

Поль Ланжевен (в 1905), пользуясь полуклассическими представлениями об электронных орбитах в атоме, в общих чертах объяснил диа- и парамагнетизм. Мы рассмотрим полуклассическое объяснение, добавив к нему квантовое понятие о спине электронов.